專利名稱：差動(dòng)式雙折射光纖調(diào)頻連續(xù)波薩納克陀螺儀的制作方法
差動(dòng)式雙折射光纖調(diào)頻連續(xù)波薩納克陀螺儀
本發(fā)明涉及一種差動(dòng)式雙折射光纖調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)薩納克 陀螺儀，用于測量旋轉(zhuǎn)速度。
光學(xué)FMCW干涉是一種源自于雷達(dá)的新技術(shù)，它可以提供比傳 統(tǒng)的光學(xué)零拍干涉更高的測量精度和更大的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)楣鈱W(xué) FMCW干涉自然產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)信號，相位的細(xì)分，相位移動(dòng)方向的 判斷，和整周期數(shù)的計(jì)算都相當(dāng)容易。光學(xué)FMCW干涉用于旋轉(zhuǎn)傳 感不僅可以解決傳統(tǒng)光纖陀螺儀存在的問題，例如零敏感點(diǎn)，相位刻 度不準(zhǔn)確，相移方向判斷不明確和7C相移限制，而且還可以減小陀螺 儀的尺寸和重量，因?yàn)楣饫wFMCW陀螺儀不需要大尺寸的相位調(diào)制 器或大尺寸的頻率調(diào)制器。
對于一個(gè)光學(xué)FMCW薩納克陀螺儀的基本要求是陀螺儀應(yīng)該是 非平衡的，這樣才能得到一個(gè)具有合適頻率的拍頻信號。但是，該要 求會(huì)使陀螺儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且環(huán)境參數(shù)(如溫度)變化時(shí)還會(huì)產(chǎn)生非 互易性相位漂移。
本專利公開的差動(dòng)式雙折射光纖FMCW薩納克陀螺儀利用一個(gè) 扭轉(zhuǎn)90度的單模雙折射光纖線圏作為一個(gè)雙非平衡光纖FMCW薩納 克干涉儀，并利用來自光纖線圏的兩個(gè)拍頻信號之間的相位差來確定 旋轉(zhuǎn)速度。因?yàn)檫@兩個(gè)拍頻信號有相同的非互易性相位漂移和相反的 薩納克相位移動(dòng)，所以該陀螺儀可以消除非互易性相位漂移(包含激 光器的頻率漂移)，并提供雙倍的分辨率。
如

圖1所示，所述差動(dòng)式雙折射光纖FMCW薩納克陀螺儀，包括 一個(gè)調(diào)頻激光器， 一個(gè)X-型保偏光纖耦合器， 一個(gè)單模雙折射光纖線 圏，兩個(gè)光纖連接器， 一個(gè)偏振分光鏡，和兩個(gè)光探測器。光纖耦合 器的輸出光纖與雙折射光纖線圏連接并保證偏振方向一致，雙折射光 纖線圏兩端的偏振主軸坐標(biāo)要旋轉(zhuǎn)90度(或nxl80+90度，n為整數(shù))。FMCW激光束首先被耦合到X-型保偏光纖耦合器的一個(gè)輸入光 纖的兩個(gè)偏振模中(即，HEUX模和HEny模)，并分為四束光束沿兩 個(gè)輸出光纖傳播。然后，這四束光束從雙折射光纖線團(tuán)的兩端被耦合 到光纖線圍的兩個(gè)偏振模中。由于雙折射光纖線圏兩端的主軸旋轉(zhuǎn)卯 度，順時(shí)針傳播的HE^模光束和逆時(shí)針傳播的HEuy模光束離開雙折 射光纖線圏后將在一個(gè)相同方向振動(dòng)并產(chǎn)生第一拍頻信號；順時(shí)針傳 播的HEuy模光束和逆時(shí)針傳播的HEuX模光束離開雙折射光纖線圏后 將在另一個(gè)正交方向振動(dòng)并產(chǎn)生第二拍頻信號。這兩個(gè)光學(xué)拍頻信號 自然相互垂直，所以它們可以用偏振分光鏡分開。分開后的兩個(gè)拍頻 信號由兩個(gè)光電探測器接收。
當(dāng)雙折射光纖線圏圍繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于薩納克效應(yīng)，這 兩個(gè)拍頻信號產(chǎn)生相反的相移。因此，比較這兩個(gè)拍頻信號的相位差， 陀螺儀的旋轉(zhuǎn)速度就可以確定。例如，如果激光器頻率是用鋸齒波 調(diào)制，探測到的拍頻信號的強(qiáng)度I(t)在任意一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)可以表示 為<formula>formula see original document page 6</formula>這里，Io是平均強(qiáng)度，V是對比度，Av是光頻調(diào)制范圍，Vm是調(diào) 制頻率，"是真空中光波的中心波長，OPD是每個(gè)拍頻信號的兩個(gè) 相干光束之間的原始光程差的絕對值。對比度V由下式給出
這里，L和12分別是每個(gè)拍頻信號的兩束相干光的強(qiáng)度，lc是
激光相干長度。OPD可以寫為
這里，nex和ney分別是HE^模和HEuy模的有效折射率，L是
雙折射光纖線圏的總長度。顯然，兩個(gè)拍頻信號的相位差A(yù)(I)等于
A j 8感Q
c/l0
因此，雙折射光纖線圏的旋轉(zhuǎn)角速度可以由下式確定
與傳統(tǒng)光纖薩納克陀螺儀比較，可以看到差動(dòng)式雙折射光纖
FMCW薩納克陀螺儀具有雙倍的靈敏度。另外，由于A小與OPD無關(guān)， 本陀螺儀不受由溫度或應(yīng)變造成的光纖線團(tuán)長度變化的影響。
該光纖陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)包括(1)得益于光學(xué)FMCW干涉，本陀 螺儀沒有零敏感點(diǎn)、相位刻度不準(zhǔn)確、相移方向判斷不明確和7t相移 限制的問題。因此，它可以提供更高的分辨率和更大的動(dòng)態(tài)范圍。(2) 得益于差動(dòng)式干涉儀結(jié)構(gòu)，本陀螺儀中不希望的非互易性相位漂移， 甚至光源的頻率漂移，可以自動(dòng)消除。另外，陀螺儀的分辨率提高兩 倍。(3)由于是全光纖和全被動(dòng)結(jié)構(gòu)，本陀螺儀非常穩(wěn)定和緊湊。
本陀螺儀中，90度扭轉(zhuǎn)的雙折射光纖線圏可以是X-型保偏光纖耦 合器的一個(gè)輸出光纖的一部分(如圖2所示)；或者X-型保偏光纖耦 合器和90度扭轉(zhuǎn)的雙折射光纖線圏可以是由同一條雙折射光纖做成 (如圖3所示)；或者X-型保偏光纖耦合器由一個(gè)X-型集成光學(xué)耦合 器代替(如圖4所示)；或者X-型保偏光纖耦合器由兩個(gè)Y-型保偏光 纖耦合器或兩個(gè)Y-型集成光學(xué)耦合器代替(如圖5所示)。
權(quán)利要求
1、一種用于測量旋轉(zhuǎn)速度的差動(dòng)式雙折射光纖FMCW薩納克陀螺儀，包括一個(gè)調(diào)頻激光器，一個(gè)X-型50/50保偏光纖耦合器，一個(gè)單模雙折射光纖線圈，兩個(gè)光纖連接器，一個(gè)偏振分光鏡，和兩個(gè)光電探測器，其特征在于，所述光纖耦合器的兩個(gè)輸出光纖與所述雙折射光纖線圈連接并保證偏振方向一致，所述光纖線圈的兩端的偏振主軸坐標(biāo)要旋轉(zhuǎn)90度(或n×180+90度，n為整數(shù))。
2、 如權(quán)利要求l所述的陀螺儀，其特征在于從所述調(diào)頻激光器發(fā) 出的FMCW激光束均等地耦合到所述光纖耦合器的一個(gè)輸入光纖的 HE X模和HEy模中，從所述光纖耦合器傳出的四束偏振光束耦合到 所述雙折射光纖線圏的兩端的兩個(gè)偏振模中，由順時(shí)針傳播的HE^ 模光束和逆時(shí)針傳播的HEny模光束產(chǎn)生的光學(xué)拍頻信號和由順時(shí)針 傳播的HEuy模光束和逆時(shí)針傳播的HEuX模光束產(chǎn)生的光學(xué)拍頻信號 被所述偏振分光鏡分開，并被所述兩個(gè)光電探測器接收，測量這兩個(gè) 拍頻信號的相位差來確定旋轉(zhuǎn)速度。；
3、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的陀螺儀，其特征在于所述光 纖耦合器的輸出光纖與所述光纖線圏相連接并保證偏振方向一致，光 纖線圏兩個(gè)輸出端的偏振主軸坐標(biāo)要旋轉(zhuǎn)90度(或nxl80+90度，n為 整數(shù))。
4、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的陀螺儀，其特征器的一個(gè)輸出光纖的一部分。
5、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的陀螺儀，其特征 在于所述X-型保偏光纖耦合器和所述90度扭轉(zhuǎn)的雙折射光纖線團(tuán)可 以是由同一條單模雙折射光纖做成。
6、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的陀螺儀，其特征 在于所述X-型保偏光纖耦合器可以是X-型集成光學(xué)耦合器。
7、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的陀螺儀，其特征 在于所述X-型保偏光纖耦合器可以是由兩個(gè)Y-型保偏光纖耦合器或 兩個(gè)Y-型保偏集成光學(xué)耦合器構(gòu)成。
8、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的陀螺儀，其特征 在于所述雙折射光纖線圏至少可以是橢圓芯雙折射光纖，或熊貓型雙 折射光纖。
9、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的陀螺儀，其特征在于所述調(diào) 頻激光器至少可以是單模半導(dǎo)體激光器。
10、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求9所述的陀螺儀，其特 征在于所迷調(diào)頻激光器包括一個(gè)偏振器，耦合透鏡， 一個(gè)溫控系統(tǒng)和 /或一個(gè)穩(wěn)頻系統(tǒng)，和電流驅(qū)動(dòng)電路。
11、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求9所述的陀螺儀，其特 征在于，所述調(diào)頻激光器至少可以以鋸齒波信號、三角波信號、正弦 波信號、或矩形波信號調(diào)制。
12、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的陀螺儀，其特征在于，所述 光電探測器至少可以是p-i-n光電二極管，或雪崩光電二極管。
13、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的陀螺儀，其特征在于，包括 信號發(fā)生和處理電路，或基于微型計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號發(fā)生和處理系 統(tǒng)。
14、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的陀螺儀，其特征在于，薩納 克相移和旋轉(zhuǎn)速度是由比較所述兩個(gè)拍頻信號之間的相位差來確定。
15、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的陀螺儀，其特征在于，薩納 克相移和旋轉(zhuǎn)速度是由比較所述拍頻信號之一與一個(gè)同頻標(biāo)準(zhǔn)參考 信號之間的相位差來確定。
16、 如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求14或權(quán)利要求15所述的 陀螺儀，其特征在于所述兩個(gè)拍頻信號的相位差至少可以是通過比較 他們最強(qiáng)諧波的相位差而得到，或通過比較所述兩個(gè)信號在每個(gè)調(diào)制 周期內(nèi)某一瞬間的相對強(qiáng)度而得到。
17、 一種用于測量旋轉(zhuǎn)速度的方法，其特征在于，將一束調(diào)頻激 光均等地耦合到所述90度(或nxl80+90度，n為整數(shù))扭轉(zhuǎn)的雙折射光纖線圏的兩端的兩個(gè)偏振模中，由順時(shí)針傳播的HE^模光束和逆 時(shí)針傳播的HEuy模光束產(chǎn)生的拍頻信號和由順時(shí)針傳播的HEuy模光 束和逆時(shí)針傳播的HEnX模光束產(chǎn)生的正交拍頻信號被分開，并被接 收，比較這兩個(gè)拍頻信號的相位差來確定旋轉(zhuǎn)速度。
18、 一種用于測量旋轉(zhuǎn)速度的方法，其特征在于將一束偏振調(diào)頻 激光均等地耦合到所述扭轉(zhuǎn)90度(或nxl80+90度，n為整數(shù))的雙折 射光纖線圏兩端的不同偏振模中，接收雙折射光纖線圏中的這兩束光 產(chǎn)生的拍頻信號，通過比較該拍頻信號與一個(gè)同頻標(biāo)準(zhǔn)參考信號之間 的相位差來確定旋轉(zhuǎn)速度。
全文摘要
一種差動(dòng)式雙折射光纖調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)薩納克陀螺儀，用于測量旋轉(zhuǎn)速度。本陀螺儀利用一個(gè)扭轉(zhuǎn)90度的單模雙折射光纖線圈作為一個(gè)雙非平衡光纖FMCW薩納克干涉儀，并利用來自光纖線圈的兩個(gè)拍頻信號的相位差來確定旋轉(zhuǎn)速度。該陀螺儀可以消除非互易性相位漂移，并提供雙倍的分辨率。
文檔編號G01C19/72GK101360969SQ200780001784
公開日2009年2月4日 申請日期2007年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者剛 鄭 申請人:剛 鄭